Laboratornaya_2

УДК 621.391.26(076.5)

Алехин В.А., Бессонов И.В. Исследование оптимальных когерентных демодуляторов ФМ- и ОФМ-сигналов. − Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2010. − 30 с.

Исследуется корреляционный когерентный демодулятор двоичных фазоманипулированных (ФМ) сигналов, обеспечивающий при белом гауссовском шуме потенциальную помехоустойчивость приема (оптимальный приѐм). Рассматривается проблема формирования когерентного опорного напряжения из принимаемого сигнала и эффект обратной работы демодулятора, устраняемый применением относительной фазовой манипуляции (ОФМ). Выполняется статистическая оценка потенциальной помехоустойчивости радиосвязи с применением двоичной ФМ и ОФМ. Предназначена для студентов специальностей: 210304 и 210402.

Табл. 3. Ил 8. Библиогр.: 7 назв.

Рецензент С.С. Гарматюк, доцент кафедры АиРПУ ТТИ ЮФУ.

1.ЦЕЛИ РАБОТЫ

1.1.Изучение принципа действия демодуляторов дискретных фазоманипулированных радиосигналов.

1.2. Оценка потенциальной помехоустойчивости приема фазоманипулированных (ФМ) и относительно-фазоманипулированных (ОФМ) радиосигналов в аддитивной смеси их с тепловым шумом.

1.3. Изучение явления обратной работы фазового демодулятора

исвойств радиосигналов с ОФМ

2.ЛАБОРАТОРНЫЙ СТЕНД

Лабораторный стенд выполнен в виде автономного прибора, питаемого от сети переменного напряжения 220В, 50Гц. Он состоит из базового блока, в котором имеются:

-источники сигналов;

-узлы КОДЕР-1, АЦП и сумматор;

-светодиодное табло передаваемого и принятого сигналов, ЦАП

иустройство контроля ошибок;

-узел индикации, в котором расположены измерительные приборы постоянного и переменного напряжений, а также движковый потенциометр напряжения смещения;

-слот (в середине базового блока) для установки сменных блоков, содержащих исследуемые функциональные узлы;

-гнезда контрольных точек, необходимые органы управления и индикации.

В базовом блоке в субблоке ИСТОЧНИКИ СИГНАЛОВ представлены:

-гармонические сигналы с частотами 1, 2 и 110 кГц с регуляторами уровня выходных напряжений от нуля до полутора вольт;

-амплитудный модулятор с частотой несущего колебания 110 кГц и модуляцией гармоническим колебанием с частотой 1 кГц,

уровень несущего колебания U0 и глубина модуляции m регулируются в пределах 0…1,5В и 0…1 соответственно;

-генератор шумового напряжения (ГШ), вырабатывающий напряжение квазибелого в полосе частот 10Гц – 100кГц шума с возможностью регулировки его выходного уровня;

-импульсные последовательности тактовой (С1) и цикловой (С2)

синхронизации, имеющие периоды повторения Т =450 мкс и Тц=17Т соответственно. Эти последовательности могут быть использованы для внешней синхронизации осциллографа;

-гармонические колебания f1=27 кГц и f2=18 кГц, используемые для получения радиосигналов с дискретными видами модуляции;

4

-периодическая последовательность импульсов прямоугольной

формы δ(t) с малой длительностью tи=5 мкс, периодом следования Тп=Тц=17Т=(17•450) мкс и амплитудой Uи≈5 В, имитирующая последовательность вида «δ - функции»;

-электрические колебания сложной формы S1, S2 и S3, состоящие из двух гармоник каждое (частота основной гармоники 2кГц);

-электрическое колебание S4, состоящие из гармоник с частотами 23 и 69Гц, используемое для исследования АЦП;

-регулируемые источники постоянных напряжений U1 и U2, изменяемых в пределах от минус 10В до плюс 10В;

-диапазонный генератор электрических колебаний низкой частоты (НЧ) в пределах 20Гц – 160 кГц, имеющий плавную и ступенчатую регулировки выходного напряжения в пределах 0…5В. Установка частоты производится с помощью встроенного частотомера

сцифровой индикацией.

Колебания всех источников стенда, кроме ГШ и генератора НЧ, получены от одного задающего генератора с кварцевой стабилизацией частоты путем деления его частоты и последующей фильтрации. Это обеспечивает надежную синхронизацию процессов, наблюдаемых на экране осциллографа.

В узле КОДЕР-1 производится ручное формирование любой 5 - символьной двоичной кодовой комбинации натурального двоичного кода с помощью микротумблеров. Набранная комбинация индицируется на светодиодном табло с надписью «ПЕРЕДАНО». Такое же табло с надписью «ПРИНЯТО» расположено над обозначением «ДЕКОДЕР-1».

КОДЕРОМ-2 является аналого-цифровой преобразователь (АЦП) аналоговых колебаний. На вход 1 АЦП подается аналоговое непрерывное колебание. Вход 2 АЦП является «открытым» (воспринимающим постоянные напряжения) и служит для снятия статической характеристики аналого-цифрового преобразования.

Нижнее гнездо S(k t) служит для наблюдения отсчетов преобразуемого сигнала. При этом могут быть использованы два значения частоты дискретизации входного напряжения fd1=125 кГц и fd2 =2,3 кГц, переключаемые соответствующим тумблером.

Кнопочный переключатель «РАЗРЯДНОСТЬ» позволяет получать число разрядов АЦП равное 3, 4 и 5. При отжатых кнопках производится восьмиразрядное преобразование.

Цифро-аналоговый преобразователь ЦАП имеет один вход и два выхода. На выходе 1 формируется ступенчатое напряжение в соответствии с выбранной в АЦП разрядностью и частотой дискретизации. На выходе 2 формируется выходное напряжение после

5

сглаживающего фильтра. Тумблер «0Vτ», расположенный ниже ЦАП, служит для включения и выключения компенсации задержки на Т,

вносимой демодулятором. При непосредственном соединении АЦП и

ЦАП тумблер должен находиться в положении «0», а при включении между ними модулятора и демодулятора – в положении

«τ».

Узел контроля ошибок предназначен для регистрации ошибок, обнаруженных при приеме дискретных сигналов в «системе связи». Признаки обнаруженных ошибок с выхода этого узла подсчитываются компьютером за определенное время наблюдения. При этом рассчитывается оценка вероятности ошибки. Признаки обнаруженных ошибок имеют вид положительных импульсов прямоугольной формы с длительностью 200 мкс. Они формируются только для первых пяти символов (информационных) последовательности. Длительность признака ошибки в пятисимвольной информационной посылке определяется положением первого ошибочно принятого символа и моментом окончания 5-го символа.

Ниже узла контроля ошибок расположены гнезда входов компьютера с потенциометрами для регулирования уровня напряжений, подаваемых на компьютер. Связь с компьютером осуществляется экранированным кабелем, который заканчивается разъемом, подключаемым ко входу звуковой платы компьютера.

В данной лабораторной работе используется сменный блок «МОДУЛЯТОР - ДЕМОДУЛЯТОР», вставляемый в центральный слот базового блока.

Блок «МОДУЛЯТОР - ДЕМОДУЛЯТОР» содержит манипулятор, работающий в режимах АМ, ЧМ, ФМ и ОФМ, «КАНАЛ СВЯЗИ», представленный в форме сумматора с полосовым фильтром (ПФ) для подачи шумового напряжения от ГШ, и «ДЕМОДУЛЯТОР», построенный по корреляционной схеме. ПФ служит для ограничения ширины спектра шумового напряжения в пределах 10…35 кГц. Коэффициент передачи сумматора по напряжению с сигнального входа равен 0,5, а с шумового входа равен 5.

На сменном блоке приведена функциональная схема корреляционного демодулятора (изображенная на рис. 1) с точками для наблюдения опорных электрических колебаний, входных напряжений перемножителей, интеграторов, порогового напряжения и выходного напряжения решающего устройства.

Переключение видов модуляции осуществляется кнопкой, расположенной около обозначения модулятора, установленный вид модуляции индицируется светодиодными индикаторами.

6

В блоке имеются также переключатель начальной фазы опорного колебания (ФМ и ОФМ), ручная установка порога (АМ) и индикатор ошибки.

Рис.1. Функциональная схема корреляционного демодулятора

Блок позволяет изучать виды дискретной модуляции, наблюдать аддитивную смесь сигнального напряжения с шумовым при различных их соотношениях, изучать принцип действия корреляционного демодулятора, осуществляющего когерентную обработку сигнала при разных видах модуляции, оценивать помехоустойчивость приема дискретных сигналов.

Сменный блок крепится к стенду четырьмя фасонными винтами. Для выполнения лабораторной работы кроме стенда необходимо иметь двухлучевой (или двухканальный) осциллограф и персональный компьютер с соответствующим программным обеспечением для выполнения специальных измерительных и демонстрационных функций (двухканального анализа спектра, построения гистограмм,

корреляционных функций, вычисления вероятности ошибок).

3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА

Программный пакет «Теория электрической связи» (ТЭС) предназначен для его использования совместно с лабораторным стендом. Пакет содержит программную реализацию ряда измерительных приборов: спектроанализатора, коррелятора, построителя гистограммы (оценка вероятности мгновенных значений сигнального напряжения) и подсчета числа ошибок с последующей оценкой их вероятностей, а также двухканального осциллографа.

Вызов компонентов осуществляется с помощью клавиш в левом верхнем углу на панели управления, вызываемой на экран компьютера с помощью «иконки» «ТЭС» нажатием левой клавиши «мыши».

7

Исследуемые напряжения следует подавать на входы А и Б стенда. При этом уровень напряжений можно менять с помощью потенциометров, расположенных около соответствующих входов.

Режим «СПЕКТРОАНАЛИЗАТОР» вызывается нажатием на клавишу 1. После нажатия на эту клавишу на экране монитора ПК появляются изображения двух экранов спектроанализатора (по каналам А и Б) с органами управления в левой их части, позволяющими регулировать верхнюю FB и нижнюю FН границы интервала частотного анализа, а также масштаб изображения по уровню гармоник. Пользоваться органами управления спектроанализаторов можно с помощью курсора и левой клавиши «мыши». Пользуясь этим спектроанализатором следует обращать внимание на уровень исследуемых напряжений, подаваемых для спектрального анализа на входы А и Б стенда. Эти напряжения, во избежание перегрузки анализатора и появления искаженных результатов анализа, не должны превышать 0,7 В. Регулировка уровня сигналов на входах А и Б осуществляется с помощью упомянутых выше потенциометров.

Режим «ГИСТОГРАММА» (диаграмма уровней) вызывается нажатием на клавишу 2. После этого на экране монитора ПК появляется окно, изображающее экран измерителя в координатах «плотность вероятности − напряжение». Исследуемое напряжение следует подавать на один из входов макета (А или Б). Поскольку в этом случае используется режим «МОНО» звуковой карты ПК, не имеет значения, на какой именно вход подавать напряжение. Не следует подавать исследуемое напряжение одновременно на оба входа.

График, получаемый в режиме «ГИСТОГРАММА», представляет собой оценку плотности вероятности мгновенных значений исследуемого напряжения.

Режим «КОРРЕЛЯТОР» вызывается нажатием на клавишу 3, после чего на экране монитора ПК появляется окно с изображением трех двухкоординатных систем в координатах «коэффициент корреляции – временной сдвиг τ», на двух из которых (слева) отображаются автокорреляционные функции (АКФ) напряжений, подаваемых на входы А и Б стенда, а на третьем (справа) – взаимокорреляционная функция (ВКФ) напряжений на входах А и Б стенда.

Графики АКФ и ВКФ строятся в диапазоне значений τ от минус 20 миллисекунд до плюс 20 миллисекунд. Осмысленные результаты

программа выдает только после хотя бы однократного нажатия на кнопку «Пуск», расположенную правее клавиши 4 на панели управления.

8

Уровень исследуемых напряжений на входах А и Б влияет на их нелинейные искажения.

Режим «ПОДСЧЕТ ОШИБОК» вызывается нажатием на клавишу 4. После этого на экране монитора ПК появляется окно, в котором построчно приведены надписи:

-«Количество ошибок в символе»;

-«Количество ошибок в букве»;

-«Количество символов»;

-«Количество букв»;

-«Оценка вероятности ошибки в символе»;

-«Оценка вероятности ошибки в букве»;

Подсчет производится после нажатия на кнопку «Пуск». Длительность анализа зависит от заданных настроек с помощью окна «НАСТРОЙКИ» вызываемого шестой клавишей.

Время счета в секундах определяет интервал времени, в пределах которого производится подсчет ошибок. Для работы в режиме подсчета ошибок необходимо на входы А и Б подавать соответственно признаки (импульсы) ошибок в букве и символе. Число символов в букве равно 5.

4. ОПТИМАЛЬНЫЙ ПРИЕМ ДИСКРЕТНЫХ ФАЗОМАНИПУЛИРОВАННЫХ РАДИОСИГНАЛОВ

4.1. Постановка задачи оптимального распознавания известных сигналов

Внастоящей лабораторной работе исследованию подлежат демодуляторы двоичных ФМ- и ОФМ-радиосигналов, известных полностью. Это означает что в точке приема сигналов, под которыми подразумеваются радиоимпульсы, соответствующие передаче двоичных «1» и «0» некоторой информационной последовательности, известны точно все их характеристики: длительности импульсов, частоты их заполнения и начальные фазы, временное положение импульсов и априорные вероятности появления этих импульсов. Неизвестным остается лишь сам факт появления одного из них на априорно известном интервале.

Вприемном устройстве на основании анализа реализации процесса y(t), представляющего собой аддитивную смесь напряжения сигнала и шумового напряжения, на известном интервале возможного появления сигнала определяется какой из возможных сигналов имеется

всоставе реализации y(t)=Ui(t)+Uш(t), где Ui(t) сигнальный компонент реализации (i = 1 или 2 при передаче «0» и «1» соответственно), Uш(t) –

9

реализация теплового шума, представляющего собой непрерывный гауссовский процесс с равномерным энергетическим спектром в диапазоне частот, где сосредоточена основная часть спектра сигнальных компонентов U1(t), U2(t) («квазибелый шум»).

Эту задачу, решаемую в приемном устройстве, называют задачей распознавания сигналов.

4.2. Распознавание дискретных ФМ-радиосигналов

В реальных системах связи прием дискретных радиосигналов происходит в аддитивной смеси с тепловым шумом, основным источником которого являются входные цепи приемника.

Это шумовое напряжение характеризуется гауссовской плотностью вероятностей с нулевым средним значением и дисперсией σ2. Спектральная плотность мощности теплового шума равномерна в полосе пропускания приемника

N(f)=N0=const.

Из теории оптимальных методов радиоприема [1] известно, что оптимальный приемник распознавания двоичных радиосигналов должен формировать на основе принятой реализации у(t) аддитивной смеси сигнала с шумом отношение правдоподобия Λ и сравнивать его с некоторым порогом Λ0 принятия решения

где W1[y(t)] и W2[y(t)] - функции правдоподобия, вычисленные по реализации y(t) для случаев y1(t)=U1(t)+Uш(t) и y2(t)=U2(t)+Uш(t), где

U1(t) и U2(t) – различаемые элементарные радиосигналы с фазами π и 0, Uш(t) – шумовой компонент.

Функции правдоподобия W1[y(t)] и W2[y(t)] являются условными функционалами плотностей вероятностей реализации y(t), рассматриваемыми в зависимости от условия (передача элементарных сообщений «1» или «0»)